眼睛與顯微系統(tǒng)

1、第九章,典型光學系統(tǒng),本章學習目的：通過解剖典型光學系統(tǒng)，初步具備設計光學系統(tǒng)的能力,很久以前，人們就利用透鏡、反射鏡和棱鏡等制成各種儀器來達到一定的成像要求。,（1）幫助人眼觀察近處微小的物體——顯微鏡,（2）幫助人眼觀察遠處的物體——望遠鏡,（3）為了在屏上得到一個放大或縮小的像——投影儀和照相機。,（4）有些物體本身不發(fā)光，為了能清晰地觀察，必須研究照明系統(tǒng)。,現(xiàn)代光學儀器種類繁多，主要實現(xiàn)的無非是這些功能或者是這幾種功能的組合,

2、這類光學系統(tǒng)是直接擴大人眼的視覺能力，稱為目視光學系統(tǒng)，它們補充和擴大了人眼的功能。,然而最精巧、功能最強的光學系統(tǒng)是人眼，同時人眼是目視光學儀器的接收器。,了解人眼的結(jié)構(gòu)及光學性能有利于正確設計和使用儀器，對設計光學儀器有所啟發(fā)。,人獲取的外界信息80%~90%來自眼睛！,俗話說：眼見為實！,§9-1 人眼的光學特性 (§3-1、3- 4),交叉點有黑點?,這些都是平行線?,中間是一個圓?,中間的圓是一樣大的

3、?,圖案是否在旋轉(zhuǎn)？,一、眼睛的結(jié)構(gòu),人眼的構(gòu)造剖視圖,,人眼本身相當于攝影光學系統(tǒng)，直徑約25mm，重量：約7克,,,人眼的構(gòu)造剖視圖,鞏膜,*鞏膜是眼球的第一層保護膜，白色、不透明、堅硬；,,角膜,,*角膜是鞏膜的最前端部分，無色而透明；,厚度：0.55mm, 折射率：1.3771,,,,人眼的構(gòu)造剖視圖,鞏膜,,角膜,前室：角膜后的空間，充滿了折射率為1.336的透明水狀液,脈絡膜,,前室,,,,人眼的構(gòu)造剖視圖,鞏膜,,角膜,,

4、,脈絡膜,,,虹膜,,*虹膜是脈絡膜的最前端部分，含有色素細胞，決定眼的顏色；,*瞳孔是虹膜中間的小孔，隨著外界明亮程度的不同，虹膜肌肉能使瞳孔的直徑在2~8mm范圍內(nèi)變化；它是人眼的孔徑光闌。,,,鞏膜,,角膜,,脈絡膜,,虹膜,,瞳孔,,,,鞏膜,,角膜,,脈絡膜,,虹膜,,瞳孔,,網(wǎng)膜,,網(wǎng)膜是眼球的第三層膜，上面布滿著微血管和感光元素，即錐狀細胞和桿狀細胞，錐狀細胞直徑約5微米，長約35微米；桿狀細胞直徑約2微米，長約60微米。

5、,,光敏細胞,,在黃斑處是錐狀細胞的密集區(qū)而沒有桿狀細胞，由中心向外，錐狀細胞逐漸減少桿狀細胞逐漸增多。,,,鞏膜,,角膜,,光,脈絡膜,,虹膜,,瞳孔,,網(wǎng)膜,,黃斑中心凹是人眼視覺最靈敏的地方。,視神經(jīng)細胞,黃斑中心凹,,,,神經(jīng)纖維,,,盲斑,大腦,盲斑,,晶狀體,,,,鞏膜,,角膜,,,脈絡膜,,眼睛的像方節(jié)點與中心凹的連線為眼睛的視軸,在觀察物體時眼睛本能地把物體瞄準在這根軸上。,虹膜,,瞳孔,,網(wǎng)膜,,,,黃斑中心凹,,,,

6、盲斑,,晶狀體,,前室,,后室,,光軸,,,視軸,,眼睛的視場很大，可達150?，但只有黃斑附近才能清晰識別，其他部分比較模糊， 所以能看清物體的角度范圍為6 ~ 8?。,水晶體,,?,視網(wǎng)膜,瞳孔,鏡頭,底片,光圈,?,?,可以自動對目標調(diào)焦。,根據(jù)景物的亮暗自動調(diào)節(jié)進入眼睛的光能量。,在視網(wǎng)膜上成倒像,,人眼特點：,二、眼睛的調(diào)節(jié),實現(xiàn)：通過肌肉的放松與收縮改變晶狀體 前后面曲率實現(xiàn)。,定義：眼睛本能地改變晶

7、狀體的表面曲率使 遠近不同的物體成像于網(wǎng)膜上的能力。,1．視度調(diào)節(jié),眼睛有兩類調(diào)節(jié)功能：視度調(diào)節(jié) 和瞳孔調(diào)節(jié)。,視度調(diào)節(jié)的過程即是眼睛自動改變焦距的過程,明視距離：眼睛觀察近物時最適宜的距離是物體位于眼前250mm處，稱此距離為明視距離（M）。,當肌肉完全放松時（通過調(diào)節(jié)），眼睛所能看清的最遠的點稱為遠點，其相應的距離稱為遠點距，以 r 表示（米）,當肌肉在最緊張時（通過調(diào)節(jié)），眼睛所能看清的最近的點稱為近點，其

8、相應的距離稱為近點距，以 p 表示（米）,正常眼睛的遠點距為負的無限遠，非正常眼睛（遠視或近視）的遠點距為一正/負的有限值。,人眼的調(diào)節(jié)能力是用遠點距 r 的倒數(shù)和近點距p的倒數(shù)之差來描述，用A 來表示，即,遠點視度：遠點距的倒數(shù) R=1/r；,近點視度：近點距的倒數(shù) P=1/p；,A稱為眼睛的調(diào)節(jié)范圍或調(diào)節(jié)能力。,調(diào)節(jié)用視度表示，單位：m-1，稱為屈光度（D）。,與光焦度,一致,正常眼如觀察無限遠的物體，對應的視度為,屈光度,如觀察眼

9、前10米的物體，此時對應的視度為,屈光度,在醫(yī)院和眼鏡店通常把1屈光度稱為100度。,人眼的調(diào)節(jié)能力隨年齡的增加而變化。,隨著年齡的增大，近點位置往遠移，遠點位置往近移，因而調(diào)節(jié)范圍減少。,2．瞳孔調(diào)節(jié)（適應特性）,人眼還能在不同亮暗程度的條件下工作。,這就是人眼的另一個特性，具有根據(jù)周圍空間光亮情況自動調(diào)節(jié)的過程 稱為適應（即為瞳孔的調(diào)節(jié)）。,適應是一種當周圍照明條件發(fā)生變化是眼睛所產(chǎn)生的變態(tài)過程，可分為對暗適應和對光適應兩種，前者發(fā)

10、生在光亮處到黑暗處的時候，后者發(fā)生在自黑暗處到光亮處的時候。,眼睛的虹膜可以自動改變瞳孔的大小，以控制眼睛的進光亮（2mm~8mm)。在設計目視光學儀器時要充分考慮與眼瞳的配合。,三、眼睛的缺陷和矯正,正常眼在肌肉完全放松的自然狀態(tài)下，能夠看清楚無限遠處的物體，即遠點應在無限遠（R = 0），像方焦點正好和視網(wǎng)膜重合。,,,,,,,,,,F',,若不符合這一條件就是非正常眼，或稱視力不正常,最常見的有近視眼和遠視眼,,所謂近視眼

11、就是其遠點在眼睛前方有限距離處（r < 0）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,由于眼球偏長，像方焦點位于視網(wǎng)膜的前面。只有眼前有限距離處的物體才能成像在視網(wǎng)膜上。,近視眼為負視度,矯正方法：配戴適當?shù)呢摴饨苟妊坨R。,使無限遠物體成像于眼睛的遠點上（虛像），然后再經(jīng)眼睛成像于網(wǎng)膜上,所謂遠視眼就是其遠點在眼睛之后（r > 0），,由于眼球偏短，像方焦點位于視網(wǎng)膜的之后所致。,只有匯聚光束才能在視網(wǎng)膜上成像，遠點成為虛物點

12、。,遠視眼為正視度,矯正方法：需以正光焦度透鏡來使其遠點恢復到無限遠，使像方焦點落在視網(wǎng)膜上。,近視眼或遠視眼的遠點視度可通過儀器來測得，知道此值后即可求得所需眼鏡的焦距。,例如：有一近視眼，通過驗光得知其遠點視度為-2個屈光度（－2D），眼鏡行業(yè)稱近視200度。,則其遠點距,需配焦距為- 0.5m的近視眼鏡。,矯正時需將無限遠物點移到其遠點距上，即將無限遠軸上點成像于r處,眼睛遠點視度為多少屈光度就要配相應屈光度的眼鏡。,目視光學儀器

13、視度調(diào)節(jié),人眼的視覺缺陷可以在眼前加以透鏡可以矯正目視光學儀器要適應不同視力的人使用為此，目鏡可以改變其前后的位置，使儀器所成的像不再位于無限遠，而位于目鏡的前方或后方一定的位置這就是目視光學儀器的視度調(diào)節(jié),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

14、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,物鏡,目鏡,正常眼,近視眼,遠視眼,F眼’,F眼’,F眼’,四、眼睛的分辨率（分辨本領(lǐng)）,1. 分辨本領(lǐng),定義：人眼的分辨本領(lǐng)是指眼睛區(qū)分接近的兩相鄰點的能力；,視角：眼睛看空間兩點時，該兩點對眼睛物方節(jié)點的張角；,,,,,,,人眼觀察物體的張角由物體的大小和距離的遠近決定。,,極限分辨角：人眼能分辨的最小視角；在良好的照明條件下一般取 1’。,ε — 極限分辨角? — 視神經(jīng)細胞

15、直徑，?=5?mf‘ — 眼睛的像方焦距 ，f' =17.05mm,如果空間兩點的像分別落在被分隔開的兩個視網(wǎng)膜細胞上，即得到兩個點的視覺,由此可見，眼睛的分辨率與視網(wǎng)膜上兩像點距離及視覺細胞的直徑大小有關(guān)。,當兩像點的間距大于（或等于）視覺細胞的直徑時，就認為眼睛可以分辨。,在設計光學系統(tǒng)時就必須考慮眼睛的分辨率。,2.瞄準,定義：眼睛判斷一點與另一點是否重合的能力；,人眼的瞄準精度一般用角度值來表示，即兩線的幾何中心線對

16、人眼的張角小于某一角度值α時，雖然還存在著不重合，但眼睛已經(jīng)認為是完全重合的，這時的角度值即為人眼瞄準精度。,,,瞄準精度和分辨率是兩個概念，但二者又有一定的聯(lián)系，經(jīng)驗證明，人眼的最高瞄準精度約為分辨率的6倍至10倍。,人眼對于線條的變形或兩條線錯開造成的外形變化或比較兩條線寬的變化具有很高的靈敏度。,在精密儀器的設計中，盡量形成對眼睛瞄準有利的條件。,1、兩實線瞄準 ±60",2、兩實線端部瞄準±10~2

17、0 ",3、雙線平分或?qū)ΨQ瞄準±5~10",4、虛線壓測件輪廓邊緣±20~30",眼睛在觀察物體時，除了一般的物體特征外，還能夠產(chǎn)生遠近的感覺，被稱為“空間深度感覺”,§9-2 空間深度感覺和雙眼立體視覺 (§3-5),單眼或雙眼都能產(chǎn)生這種感覺,1）物體高度已知，它所對應的視角大小來判斷其遠近2）物體之間的遮蔽關(guān)系和陽光的陰影來判斷它們相對位置3）對物

18、體細節(jié)的鑒別程度和空氣的透明度所產(chǎn)生的深度感覺4）眼睛的調(diào)節(jié)程度來判斷物體的遠近。,單眼深度感覺來源：,雙眼觀察的深度感覺除上述因素外：,5）物體的距離越近，視軸之間的夾角越大，這種感覺使眼球發(fā)生轉(zhuǎn)動的肌肉緊張程度就不同，據(jù)此就能判斷物體的遠近；,6）雙眼立體視覺（簡稱體視）α稱為“視差角”,設人眼左右兩瞳孔距離為b，物體距離為l，由于通常α很小,則視差角為,則感覺 A ，B 距眼睛距離相等,當A、B兩點距離不等時，

19、 或產(chǎn)生了遠近的感覺 , 被稱為雙眼立體視覺,當物點對應的視角差α等于 時，人眼剛能分辨出兩個物點之間的遠近差別,即反映了人眼可能分辨出物點遠近的最大距離,Lmax稱為立體視覺半徑,其極限值稱為“體視銳度”,約為10”，有可能達到5”或3”,通過光學儀器觀察物體時，放大率為物體像的視角ω’正切值與人眼直接觀察該物體時的視角ω正切之比。,這種放大率稱為視角放大率。用字母Γ表示,與眼睛一起使

20、用的目視光學儀器，其放大作用不能由橫向放大率來表征。,§9-3 雙眼觀察儀器 (§3-6),由于雙目觀察有立體感，因此許多目視儀器采用雙目結(jié)構(gòu)。,雙眼儀器不但可以保持人眼的體視能力，還可以提高人眼的體視能力,雙眼儀器的體視放大率,雙眼望遠鏡，雙眼顯微鏡,人眼直接觀察時的視差角α眼為,,,,,,,,,,,,,B,A,αB眼,αA眼,Δα眼 ＝αA眼-αB眼,,人眼能否分辨兩個物點A 與B 的遠近，取決于αA眼

21、－ αB眼,b,,,,lA,,,lB,假設雙眼觀察儀器的二個入射光軸之間為距離B,稱為該儀器的基線長，則同一物體對儀器的二入射瞳孔所構(gòu)成的視差角α為,若系統(tǒng)的視（角）放大率為Г，則物方視差角α和像方視差角α’ 存在以下關(guān)系：,又因為：,由體視放大率定義：,有：,取人眼兩瞳孔距離為b=62mm，則：,體視測距儀：利用人眼的立體視覺來測量目標距離,為了提高測量精度，必須增大Π,（1）增大Γ,（2）增大B,一、放大鏡,物體對眼睛的視角，不僅取

22、決于物體的大小，還取決于該物體到眼睛的距離，距離越近視角越大,若在近處觀察細小物體其視角小于人眼極限分辨角,就需要借助放大鏡或顯微鏡將其放大，使像的視角大于人眼的極限分辨角,§9-4 放大鏡和顯微鏡的工作原理 (§3-2),放大鏡的放大率,眼睛通過放大鏡或顯微鏡等目視光學儀器來觀察物體時，所看到的是在物體通過光學儀器成的像的大小。,放大鏡的放大率為：,通過放大鏡

23、觀察物體時，其放大率為視角放大率。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,y',y,A,B,A',B',F,F',,ω’,P',,,,,,,,,,,,-f,f ’,,,,,-x’,a’,虛像A′B′ 對眼睛所張的視角的正切為（主光線）,眼睛直接去觀察物體時，是將其放在明視距離250mm處。此時物體對人眼張角的正切為,放大鏡的放大率?？捎上率角蟮?將橫向放大率

24、 代入上式得,由此可見，放大鏡的視角放大率并非常數(shù)，與物與放大鏡的距離、眼睛離開放大鏡的距離有關(guān)。,在實際使用過程中，眼瞳大致位于放大鏡的像方焦點的附近,上式分母中的a′相對于x′而言，是一個很小的值，可以略去。,放大鏡的放大率僅由放大鏡的焦距 f ′ 所決定，焦距越大則放大率越小。,放大鏡放大率的公式，通常采用以下形式,,放大鏡與眼睛聯(lián)用，鏡框為視場光闌，眼瞳為

25、孔徑光闌。視場內(nèi)有漸暈。,二、顯微鏡的工作原理,顯微系統(tǒng),工具顯微鏡,金相顯微鏡,生物顯微鏡,主要應用于精密機構(gòu)制造工業(yè)等方面進行精密測量,主要應用于生物學、醫(yī)學、農(nóng)學等方面,主要應用于冶金和機械制造工業(yè)，觀察研究金相組織結(jié)構(gòu),,世界上第一臺顯微鏡是荷蘭眼鏡商詹森（Hans Janssen）（左圖）在1604年發(fā)明的。（右圖）,1665年，英國的物理學家羅伯特·胡克（Robert Hooke, 1635～1703）（左圖）用自

26、己設計并制造的顯微鏡（右圖）第一次發(fā)現(xiàn)細胞。,1674年，荷蘭布商列文·虎克(Antonie van Leeuwenhoek,1632～1723) 為了檢查布的質(zhì)量，親自磨制透鏡，裝配了高倍顯微鏡（300倍左右），并觀察到了血細胞、池塘水滴中的原生動物、人類和哺乳類動物的細胞，這是人類第一次觀察到完整的活細胞。,顯微鏡是人眼的輔助工具，顯微鏡的光學系統(tǒng)由物鏡和目鏡兩個部分組成。,夜光蟲,太陽蟲,顯微鏡下美麗的冰晶,1.顯微鏡系

27、統(tǒng)成像原理,此像在經(jīng)目鏡放大為虛像A”B” 后供眼睛觀察。目鏡和放大鏡起著同樣的作用,,,,,,物鏡,目鏡,,F1,F1’,F2,,B,A,,,,,A’,B’,,,,,,,,,,A”,B”,A’B’ 位于目鏡的物方焦點 F2 上或在很靠近 F2 的位置上,,,,,,,物鏡,目鏡,,F1,F1’,F2,,B,A,,,,,A’,B’,,,,,,,,,,A”,B”,,目鏡的物方焦點與物鏡像方焦點的距離為Δ（物鏡和目鏡的光學間隔），在顯微鏡系統(tǒng)

28、中稱為光學筒長,設物鏡的焦距為f1′,則物鏡的放大率為,物鏡的像被目鏡放大，其放大率為,物體經(jīng)過物鏡和目鏡的兩次放大，所以顯微鏡系統(tǒng)總的放大率Γ應該是物鏡橫向放大率β和目鏡視角放大率Γe的乘積。,可見顯微鏡系統(tǒng)的放大率與光學筒長Δ成正比，和物鏡及目鏡的焦距成反比。,式中： f2' 為目鏡的焦距。,根據(jù)組合光組的焦距公式可知，整個顯微鏡的總焦距 f ’ 和物鏡及目鏡焦距之間符合以下關(guān)系：,,,將其代入上式中，則有,顯微鏡系統(tǒng)實質(zhì)上

29、不就是個放大鏡么！,在顯微鏡系統(tǒng)中存在著中間像，故可以在物鏡的實像平面上放置分劃板，對被觀察物體進行測量，并且在該處還可以設置視場光闌以消除漸暈現(xiàn)象。,精密測量用的顯微系統(tǒng)與一般觀察顯微鏡對物鏡橫向放大率的要求不同。,對生物顯微鏡物鏡的放大倍數(shù)較高(10?~100?)，但其值的精度要求不高，相對誤差一般為?5%，,對工具顯微鏡物鏡放大倍數(shù)較低(1?~5?)，但其值的精度要求較高，相對誤差一般為?0.1%，物鏡的成像面上裝有分劃板。,19

30、JA型萬能工具顯微鏡的光學系統(tǒng)圖。,可變光闌位于聚光鏡的物方焦平面上,孔徑光闌位于物鏡的像方焦平面上（形成了什么光路？）,物鏡有四種放大倍率：1x、1.5 x、3 x和5 x；目鏡的放大率為10 x,在顯微鏡中，取下顯微物鏡和目鏡后，所剩下的鏡筒長度即物鏡支撐面到目鏡支撐面之間的距離稱為機械筒長，用tm表示。,對于一臺顯微鏡來說，機械筒長是固定的，機械筒長各國標準是不同的，有160mm，170mm和190mm 等。

31、 我國規(guī)定機械筒長為160mm。,三、顯微鏡的景深,當顯微鏡調(diào)焦至某一物平面（稱為對準平面）時，如果位于其前后的物平面仍能被觀察者看清楚，則該兩平面之間的距離稱為顯微鏡的景深。,,,AB是對準平面，A1B1是位于對準平面之前的物平面， A2B2是位于對準平面之后的物平面。,,,A’1點的成像光束在景象平面上截出直徑為z′的彌散斑，從圖中可得,因為x’ >>dx’，有,A

32、′B′是對準平面的像（稱之為景象平面），A1′B1′是位于對準平面之前的物平面的像。,若要Z′看起來是一個點，它對出瞳中心的張角ε′必須不大于眼睛的極限分辨角。,2dx′可認為是在像方能同時看清楚的景像平面前后兩個平面之間的深度，由于tgε’≈ε’，有,將2dx′換算到物空間去，即可得到顯微鏡景深的表達式。這只要將2dx′除以軸向放大率α即可。,,,,,根據(jù)有關(guān)公式有,由此可得,由上式可見，顯微鏡的放大率越高、數(shù)值孔徑越大，景深越小。,

33、也可表示為,,-u,四、顯微鏡的分辨率和有效放大率,無窮遠自身發(fā)光的物點，在透鏡焦平面上所成的像不是幾何點，而是一個由一系列光環(huán)組成的衍射圖樣。,1：顯微鏡的分辨率,其圖樣的光環(huán)能量分布曲線見圖所示。,中央亮斑稱為艾里斑其半徑為,其上集中了總能量的83%左右,接著是第一級暗環(huán)然后是第一級亮環(huán)，其能量是總能量的7%左右；,λ：光波波長，用白光照明時，一般取λ=0.5μm,一般光學儀器成像，可以看成圓孔衍射。由于衍射現(xiàn)象，會使圖像邊緣變得模

34、糊不清，使圖像分辨率下降。,（1）    兩個點光源相距較遠，能分辨。,（2）兩艾里斑中心距離為艾里斑的半徑時，恰能分辨。,θ0稱為最小分辨角,（3）當θ<θ0時，不能分辨。,我們將兩艾里斑中心距離為艾里斑的半徑或θ=θ0時，恰能分辨像點的情況稱為瑞利判據(jù)。,D為入瞳直徑，這里為透鏡直徑,又定義：,為儀器分辨率,光學鏡頭入瞳直徑越大，分辨率越高。入射光波長越短，分辨率越高。,根據(jù)瑞利判據(jù)的另外一種表述

35、，顯微鏡分辨率以能分辨的物方兩點間最短距離?表示：,光學鏡頭的數(shù)值孔徑越大，分辨率越高。入射光波長越短，分辨率越高。,可見，顯微鏡作為光學系統(tǒng)，其分辨本領(lǐng)取決于所用照明光的波長和物鏡的數(shù)值孔徑。,注意：顯微鏡的分辨率只與物鏡的數(shù)值孔徑有關(guān)，與目鏡無關(guān)，即使目鏡的放大率很高，由于它只是放大物鏡所成的像，因此它不能分辨物鏡所不能分辨的細節(jié)。,提高顯微鏡分辨本領(lǐng)的途徑：,①使用波長短的光照明；,②加大物鏡的數(shù)值孔徑。,在鏡頭口徑不能太大的情況

36、下，可以提高物方折射率。,電子顯微鏡放大率60~80萬倍，有效分辨率可達0.2nm,光學顯微鏡系統(tǒng)，最大放大倍數(shù)在1000~1500倍，超不過2000倍。目前光學顯微鏡系統(tǒng)的最高分辨本領(lǐng)可達0.2?m。,2：總放大率的確定,總放大率的確定原則：顯微系統(tǒng)能分辨的細節(jié)也應能被接收器所分辨(對顯微系統(tǒng)而言，其接收器是人眼) 。,?接是接收器的分辨本領(lǐng)， ?是顯微系統(tǒng)分辨本領(lǐng)。,便于眼睛分辨的角度為2′~ 4′，則在明視距離250mm處能分辨

37、開兩點之間的距離σ′為 ：,換算到顯微鏡的物方,設所使用照明光的波長為550nm,稱為有效放大率,當,時，物鏡分辨能力沒有被充分利用,時，為無效放大,五、顯微系統(tǒng)的線視場,其視場的大小用能看到的物方直徑表示，稱為物方線視場（簡稱為線視場）。,線視場的大小與顯微系統(tǒng)放大率、數(shù)值孔徑NA以及結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)。,線視場是顯微系統(tǒng)光學性能之一。,物方線視場實際上就是系統(tǒng)的入窗。,顯微系統(tǒng)是用來觀察、分辨物體的細節(jié)（生物顯微鏡）或瞄準（工具顯微鏡）的

38、。,要求視場內(nèi)的照度適宜、均勻、成像清晰、沒有漸暈，雜散光的干擾小,視場光闌應安放在物鏡像平面處。,不同的顯微系統(tǒng)其孔徑光闌的位置也不同,生物顯微鏡的孔徑光闌就是物鏡框（軸上點成像）,工具顯微鏡孔徑光闌放在物鏡像方焦平面上構(gòu)成物方遠心光路,使用顯微系統(tǒng)過程中，要求能方便更換物鏡和目鏡,同時，也要求一次調(diào)焦清晰后，在更換不同倍率的物鏡或目鏡時，不需要二次調(diào)焦。,即視場中心物象位置關(guān)系不發(fā)生變動,更換物鏡并能基本保持成像清晰是采用不同倍率物

39、鏡的物像共軛加上主面之間的距離相等的方法來實現(xiàn)的，被稱為齊焦 。,更換物鏡的倍率（1X、1.5X、3X、5X），物方線視場的大小也隨之改變（21mm、14mm、7mm、4.2mm）,六、物鏡和目鏡,,1：物鏡概述,,,,,物鏡的工作距離：物鏡第一面頂點到物體之間的距離。,一般情況下，物鏡倍率越高，工作距離越小。,物鏡參數(shù)有以下關(guān)系式：,放大率,共軛距,結(jié)構(gòu)長度,如果物鏡為薄透鏡，可以不考慮HH’,焦距,數(shù)值孔徑,線視場,顯微物鏡的特點：

40、大數(shù)值孔徑，小視場，短焦距。,顯微物鏡的主要用來觀察或測量，將近處微小物體放大到足夠大并且分辨清楚細節(jié)，就是顯微鏡的主要用途。,問題：存在像差和色差，簡單結(jié)構(gòu)物鏡無法克服。,那咋整？,顯微物鏡根據(jù)用途不同分為：,(1). 消色差顯微物鏡,2：物鏡分類,為了提高分辨率，物鏡的數(shù)值孔徑比較大。其結(jié)構(gòu)隨著數(shù)值孔徑的增大而趨向復雜。,只需校正軸上點球差和色差即可，邊緣像質(zhì)較差。但由于其視場很小，故能滿足一般的使用要求。,普通顯微物鏡大多數(shù)屬于消

41、色差型,按數(shù)值孔徑NA的大小有四種型式,a、雙膠合型 β=1~5x NA=0.1~0.15,b、李斯特型 （Leister） β=10~25x NA=0.22~0.40,3、阿米西型（Amici） β=40x NA=0.40~0.65,4、阿貝油浸型 β=90~100x NA=1.25~1.40,目的：提高數(shù)值孔徑。,(2).復消色差物鏡,嚴格校正軸上點像差和色差，同時還要校正二級光譜色差。主要用于研究用顯微鏡和顯微照相中。

42、,螢石,(3).平場消色差物鏡,b、中倍 β=10x NA=0.22,c、高倍 β=40x NA=0. 0.65,d、高倍 β=63x NA=0.85,a、低倍 β=4x NA=0.1,嚴格地校正像面彎曲，主要用于顯微照相和顯微投影。,40X平場復消色差顯微物鏡,(4).平場復消色差物鏡,在校正像面彎曲的同時，要校正二級光譜。,精密測量中的顯微鏡，使用高倍物鏡的不多。一般均采用低倍和中倍物鏡；但要求平像場；,所以與同倍其

43、它物鏡相比，其結(jié)構(gòu)形式比較復雜。,下圖是工具顯微鏡1X物鏡的兩種結(jié)構(gòu)。視場20mm，工作距離80mm，數(shù)值孔徑0.03。,孔徑光闌,,,工具顯微鏡要求有較大的視場和工作距，以容納有一定高度的工件,孔徑光闌,下圖是工具顯微鏡3X物鏡的結(jié)構(gòu)。視場為6.7mm，工作距離80mm，數(shù)值孔徑0.09。,,下圖是工具顯微鏡10X物鏡的結(jié)構(gòu)。視場2mm，工作距離20mm，數(shù)值孔徑0.16。,下圖是工具顯微鏡40X物鏡的結(jié)構(gòu)。視場0.5mm，工作距離1

44、0.5mm，數(shù)值孔徑0.35。,孔徑光闌,,孔徑光闌,,3：目鏡概述,目鏡的作用：對物鏡成的像再次放大。,顯微鏡的出瞳在目鏡之后的一定位置上，觀察時，眼睛放在出瞳處。,在選用或設計顯微目鏡時所考慮的主要光學性能：,(1)視場角(像方視場角)2?'：,總的來說視場大的一般在40?~50 ?左右，小的到30 ? ，廣角目鏡可達120 ?,(2)焦距,一般20~30mm，小的可到4mm，大的可到50mm 。焦距過短：出瞳距小，人眼不易

45、與出瞳重合。焦距過長：為保證一定的視場角，要加大目鏡口徑。,,,,,,,,,,f’目,(3)出瞳距P'：,一般在8mm左右，不得小于6mm，最長可達100mm,,,,,,,,,,f’目,(4)相對孔徑,(5)放大率,目鏡前片頂點到目鏡物方焦點的距離。要保證目鏡在調(diào)焦中不能碰到分劃板。,攝影目鏡,觀察目鏡,約1/3~1/15,(6)工作距離,由于觀察者視力差異，目鏡應能進行視度調(diào)節(jié)。,總之，目鏡是一個出瞳在外的短焦距小孔徑大視場

46、系統(tǒng)，同時對工作距均有一定的要求。主要考慮的像差是軸外像差(像散、場曲、倍率色差、畸變等),設觀察者視力調(diào)節(jié)為N視度，則目鏡軸向移動距離為：,視場角與視場光闌的關(guān)系可以表示為：,在設計目鏡時要求 lF ＞△x,N≤5m-1,目鏡的視場光闌在物方焦平面，即分劃板上。通常為φ18~25mm。,4：目鏡的分類,根據(jù)顯微鏡用途不同，目鏡分為：,普通目鏡,平場補償目鏡,攝像目鏡,⑴惠更斯目鏡由兩塊平凸透鏡組成，其間隔為d。,場鏡所產(chǎn)生的軸外像差很

47、大，很難予以補償。所以該目鏡結(jié)構(gòu)不宜在視場光闌平面上設置分劃板，因此惠更斯目鏡不宜用在測量儀器中。,場鏡,接目鏡,物鏡像面,視場光闌,接目鏡物方焦平面,出射光瞳（眼瞳）,⑵冉斯登目鏡由兩塊凸面相對的平凸透鏡組成，其間隔d 小于惠更斯目鏡兩透鏡的間距。,在成像質(zhì)量上，冉斯登目鏡的間隔小，冉斯登目鏡的場曲小于惠更斯目鏡的場曲。,⑶對稱式目鏡,對稱式目鏡是應用非常廣泛的中等視場目鏡。,它由兩個雙膠合鏡組構(gòu)成。,⑷廣角目鏡,廣角目鏡是為適應大視

48、場系統(tǒng)而設計的。,由于視場角增大，場曲也隨之增大。,為了保證像差的要求，目鏡的結(jié)構(gòu)必然復雜化，通常增加正透鏡組的數(shù)目，使光焦度分散。,下圖是兩種視場在60°以上的廣角目鏡，接目鏡用兩塊透鏡代替。,I 型,出瞳,II 型,出瞳,顯微鏡的照明系統(tǒng),顯微鏡的照明方法按其照明光束的形成，可分為“透射式照明”和“落射式照明”兩大類。,前者適用于透明或半透明的被檢物體，絕大數(shù)生物顯微鏡屬于此類照明法；,后者則適用于非透明的被檢物體，光源來

49、自上方，又稱“反射式或落射式照明。主要應用與金相顯微鏡或熒光鏡檢法。,(一)照明系統(tǒng)的設計原則,照明系統(tǒng)要滿足以下要求：,1）保證有足夠的光能；,2）有足夠的照明范圍和均勻的亮度；,3）照明光束應充滿物鏡的入瞳；,5）滿足儀器尺寸布局要求；,4）盡可能減少雜光進入物鏡，以免降低像面的對比度；,根據(jù)上述要求，照明系統(tǒng)在設計上應滿足以下兩個原則：,1、光孔轉(zhuǎn)接原則,設照明系統(tǒng)的入瞳位置為光源的位置，則照明系統(tǒng)的出瞳應與物鏡的入瞳重合；否則照

50、明光束不能充分利用（見圖）。,2、照明系統(tǒng)的拉赫不變量應大于或等于物鏡的拉赫不變量，即,（二）透射式照明,1、直接照明,即利用自然光或燈泡直接照明。,在顯微鏡下部安放平面或者凹面反射鏡，反射鏡框起孔徑光闌作用。,保持一定的數(shù)值孔徑,縮小光源面積,減小電消耗,利用凹面反射鏡與用平面反射鏡相比，優(yōu)點為：,2：臨界照明,定義：光源發(fā)光面通過聚光鏡成像在物面上或其附近的照明方式。,特點：,⑴照明系統(tǒng)的視場光闌在光源的位置。,⑵照明系統(tǒng)的孔徑光闌

51、在聚光鏡或附近。,⑶物面視場范圍內(nèi)有最大亮度，沒有雜光。,缺點：,⑴光源亮度不均勻性直接反映在物面上。,⑵不滿足光孔轉(zhuǎn)接原則。,即：聚光鏡出瞳與物鏡的入瞳位置不重合。,應用：電影放映機大多采用這種照明方式，讀數(shù)顯微鏡中刻線尺或度盤的照明也常采用。,3：柯勒照明,目的：克服臨界照明不均勻的特點.,結(jié)構(gòu)特點：,⑴發(fā)光面(光源)經(jīng)集光鏡成實像。,缺點：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，光能損失大。,（2）集光鏡框或其后面附近可安放可變的視場光闌，控制照明視場的大

52、小，避免雜光射入物鏡。,柯勒照明可分為非遠心照明和遠心照明。,遠心柯勒照明特點：,孔徑光闌位于聚光鏡的物方焦面上，組成像方遠心光路；視場光闌的位置根據(jù)需要選定,集光鏡,視場光闌,孔徑光闌,聚光鏡,物面,觀察時，可改變聚光鏡孔徑光闌的大小，使光源充滿不同物鏡的入射光瞳，而使聚光鏡的數(shù)值孔徑與物鏡的數(shù)值孔徑匹配。同時改變視場光闌的大小可控制照明范圍。此外，這種照明的熱源遠離被檢物體的平面，即使長時間的照明，也不致?lián)p傷被檢物體。,應用：要求像